Prozess- und Energiedatenerfassung im Bereich Spritzgießen

Mehr Effizienz durch transparente Prozesse

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Eine der wesentlichen Aufgaben der Spritzgießfertigung ist die sichere, reproduzierbare und günstige Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte, um die Kundenanforderungen zu erfüllen. Dieses Ziel lässt sich durch die transparente Erfassung organisatorischer und technischer Betriebsdaten wie Maschinen-, Prozess- und Energiedaten unterstützen. Eine Lösung von Phoenix Contact erlaubt die integrierte Erfassung und Auswertung aller Informationen.

DIE AUTOREN Dr.-Ing. Jens Dreyer und Dipl.-Ing. (FH) Jan Rojahn, Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg www.phoenixcontact.de

Die Steigerung von Effizienz und Qualität in der Spritzgießfertigung bedarf eines detaillierten Einblicks in den gesamten Herstellungsprozess. Zu diesem Zweck müssen sowohl die Spritzgießmaschine als auch Peripheriegeräte wie die Werkzeugtemperierung und der Trockner betrachtet werden. Bisher ist eine umfassende Datenerfassung in der Spritzgießfertigung nur schwer möglich, da eine herstellerübergreifende Aufnahme der Maschinen- und Peripheriedaten eine Vielzahl an Software- und Hardware-Schnittstellen erfordert.
Proprietäre Lösungen sind ungeeignet
Eine weitere Herausforderung stellt die Erfassung und Analyse der Daten dar. So müssen organisatorische und technische Betriebsdaten berücksichtigt werden. Organisatorische Betriebsdaten beinhalten Auftrags- und Personalinformationen, wobei im beschriebenen Szenario die Auftragsdaten im Fokus stehen. Dazu zählen Produktionsinformationen wie Zeiten und Stückzahlen sowie Auftragsstatus und Rückmeldedaten. Bei den technischen Betriebsdaten sind sowohl Maschinen- als auch Prozessinformationen relevant. Zu den Maschinendaten gehören Zykluszeiten, Meldungen und Störungen sowie der Verbrauch von Material und Energie. Prozessdaten betrachten die Qualität, Istwerte der Prozesse und Einstelldaten.
Die genannten Betriebsdaten zum Prozess und zum Auftrag sowie zur Energie müssen integriert auswertbar sein, um vorhandene Kenntnisse über den Spritzgießprozess zu vertiefen und zusätzliche Verbesserungspotentiale zu identifizieren. Die Mitarbeiter von Phoenix Contact stehen derzeit vor dieser Herausforderung, damit sie die Produktionsprozesse des Unternehmens weiter optimieren können. Bestehende herstellerspezifische Lösungen zur Datenerfassung untersuchen Prozess-, Energie- und Auftragsdaten jedoch getrennt voneinander. Eine gemeinsame Auswertung, das In-Beziehung-Setzen der Informationen sowie die herstellerübergreifende Datenaufnahme von Maschine und Peripherie sind momentan nicht möglich. Es werden zwar proprietäre Lösungen angeboten, die jedoch meist kostenintensiv sind. Außerdem lassen sich neue Geräte anderer Hersteller nicht so einfach in das Konzept einbinden.
Leitsystem-Framework erlaubt den Datenzugriff
Weil am Markt keine geeignete Lösung verfügbar ist, entwickelt Phoenix Contact ein Leitsystem-Framework (LSF). Das LSF wird im beschriebenen Anwendungsszenario zur Erfassung organisatorischer und technischer Betriebsdaten genutzt, die zu einer weiteren Verbesserung der internen Spritzgießprozesse beitragen. Bei dem Konzept handelt es sich um eine in C# erstellte Software, die herstellerunabhängige Schnittstellen und Engineering-Module zur Verfügung stellt. Im Bereich der Schnittstellen ist eine Bibliothek realisiert worden, in der Interfaces wie OPC und RS485 implementiert werden. Darüber hinaus schafft die Lösung eine Verbindung zum Engineering-System PC Worx sowie zu dem bei Phoenix Contact verwendeten Manufacturing Execution System (MES) und Enterprise Resource Planning System (ERP).
Die Nutzung von Standard-Schnittstellen erlaubt den Zugriff auf Maschinen- und Prozessdaten von Maschinen und Geräten beliebiger Hersteller. Sofern Prozess- und Energiedaten nur über herstellerspezifische Software bereitgestellt werden, lassen sich individuelle Schnittstellen in der Bibliothek des LSF integrieren. Die Installation und Einbindung zweckmäßiger Sensoren ermöglicht zudem die Aufnahme und Auswertung von Einflussparametern wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit. Im Engineering-Bereich werden Funktionen angeboten, die eine Steuerung und Überwachung von Fertigungsprozessen gestatten. Dazu gehören die Datenerfassung und -überwachung sowie ein Kennzahlen-Editor und -Cockpit.
Überall auf die errechneten Kennzahlen zugreifen
Die technischen Betriebsdaten werden durch Messen oder Zählen sowie bei Bedarf durch die Signalumformung analoger oder digitaler Daten unter Verwendung der Schnittstellen-Bibliothek erfasst. Die Aufnahme der organisatorischen Betriebsdaten erfolgt über Schnittstellen zum MES und ERP. Nachdem die Informationen in einer Datenbank gespeichert worden sind, lassen sich die zugehörigen Werteverläufe visualisieren und, wenn notwendig, in Form von Kennzahlen darstellen oder in verdichteter Ausführung an das MES und ERP weitergeben. Der Zugriff auf die aufgezeichneten Daten und errechneten Kennzahlen ist direkt an der Anlage sowie von jedem in das Netzwerk integrierten Rechner über die Web-Oberfläche des LSF möglich. Neben den Anlagenbedienern können auf diese Weise auch Produktionsverantwortliche jederzeit von ihrem Arbeitsplatz aus technische und organisatorische Betriebsdaten wie Prozess- und Energieinformationen einsehen.
Mehr Stabilität und Effizienz der Prozesse
Im praktischen Einsatz zeigt das LSF für sämtliche Produktionszyklen zeitliche Verläufe und Einzelwerte der erfassten Betriebsdaten an. So lässt sich beispielsweise auf Basis der Visualisierung von Energiedaten wie der Stromaufnahme in Abhängigkeit von Prozessparametern wie der Massetemperatur und Schließkraft untersuchen, welchen Einfluss die Prozessparameter auf die Energieaufnahme haben. Dabei werden der jeweils gefertigte Artikel und der bearbeitete Auftrag berücksichtigt. Außerdem können Trenddiagramme dargestellt werden, die anhand eines definierten Zeitfensters oder der Anzahl gewünschter Zyklen einen Trend aufzeigen. Grenzwerte und zugehörige Hüllkurven tragen zu einer einfachen und (teil-)automatisierten Prozessüberwachung bei. Ferner besteht die Möglichkeit, mathematische Berechnungen wie Integration, Extremwertfindung und die Bildung von Häufigkeitsverteilungen vorzunehmen.
Die mit dem LSF aufgenommenen und berechneten Daten werden in konfigurierbaren Verdichtungsstufen in einer Datenbank gespeichert, sodass sich langfristige Untersuchungen durchführen lassen. Darüber hinaus kann gegenüber dem Kunden ein Qualitätsnachweis erbracht werden. Die gewonnenen Daten dienen auch der Untersuchung von technischen und organisatorischen Zusammenhängen im Spritzgießprozess. Das Verständnis für die individuellen Prozesse verbessert sich so. Zudem erkennt der Maschinenbediener Störungen frühzeitig und kann sofort Gegenmaßnahmen einleiten. Nicht zu vergessen, dass die Stabilität und Effizienz der Prozesse steigt.
Funktionen und Schnittstellen lassen sich ergänzen
Der Hersteller hat die beschriebene Lösung als Leitsystem-Framework implementiert, um langfristige Möglichkeiten zur Erweiterung um Funktionen und Schnittstellen zu schaffen. Da bereits jetzt Spritzgießmaschinen einiger Anbieter sowie Peripheriegeräte zahlreicher Hersteller verwendet werden, wäre der kostenmäßige und zeitliche Aufwand für die Implementierung sämtlicher notwendiger Schnittstellen hoch. Vor diesem Hintergrund wird das Leitsystem-Framework in Abstimmung mit den verschiedenen Fertigungsbereichen iterativ entwickelt und parallel in unterschiedlichen Anwendungsszenarien getestet. Auf diese Weise kann die Software schon heute genutzt werden und die Erkenntnisse aus diesem Einsatz fließen in die weitere Entwicklung ein. ge

INFO-TIPP
Einen kurzen Überblick über das Spritzgießen von Qualitätsformteilen gibt ein Dokument von Bayer:
http://plastics.bayer.com/plastics/emea/de/literature/pdf/1263.pdf?docId=1263

PRAXIS PLUS
Mit dem Leitsystem-Framework erhalten die Produktionsverantwortlichen alle prozessrelevanten Daten zur Auswertung, damit in ihrem Bereich qualitativ hochwertige Produkte sicher, reproduzierbar und wirtschaftlich hergestellt werden können. Das erhöht die Effizienz und Güte des Spritzgießprozesses, wobei gleichzeitig Ausschuss und Energiekosten gesenkt werden. Zur weiteren Verbesserung der Spritzgießfertigung sollte die Datenerfassung mit einer Lösung wie LSF einen festen Platz im Prozessablauf einnehmen. Durch die Verknüpfung von ERP, MES und LSF sind wichtige Voraussetzungen geschaffen, den Produktionsprozess von sämtlichen Seiten zu beleuchten, sodass die verfügbaren Ressourcen effizient genutzt werden können.
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